Todos partimos de una sola célula, el óvulo fecundado. A partir de esta célula, a través de un proceso que involucra la división celular, la diferenciación celular y la muerte celular, toma forma un ser humano, compuesto en última instancia por más de 37 billones de células en cientos o miles de tipos de células diferentes.

Si bien entendemos ampliamente muchos aspectos de este proceso de desarrollo, no conocemos muchos de los detalles.

Una mejor comprensión de cómo un óvulo fertilizado se convierte en trillones de células para formar un ser humano es principalmente un desafío matemático. Lo que necesitamos son modelos matemáticos que puedan predecir y mostrar lo que sucede.

El problema es que no tenemos uno, todavía.

En ingeniería, los modelos matemáticos y por computadora ahora son cruciales:un avión se prueba en simulaciones por computadora mucho antes de que se construya el primer prototipo. Pero la biotecnología aún se basa en gran medida en una combinación de prueba y error, y casualidad, para crear nuevos tratamientos y terapias.

Entonces, esta falta de modelos matemáticos es un gran cuello de botella para la biotecnología. Pero la incipiente disciplina de la biología sintética, donde un modelo matemático sería extremadamente útil para comprender la eficacia potencial de los nuevos diseños, es crucial, ya sea para medicamentos, dispositivos o tejidos sintéticos.

Esta es la razón por la cual los modelos matemáticos de células, especialmente de células completas, son ampliamente considerados como uno de los grandes desafíos científicos de este siglo.

Pero, ¿estamos progresando? La respuesta corta es sí, pero a veces tenemos que mirar hacia atrás para avanzar.

En la década de 1950, el biólogo y matemático británico Conrad Hal Waddington describió el desarrollo celular como una canica que rueda por un paisaje montañoso. Los valles corresponden a células que se convierten en tipos (piel, hueso, células nerviosas) y las colinas que dividen los valles corresponden a coyunturas en el proceso de desarrollo, donde se elige el destino de una célula.

Para cuando la canica descansa en el fondo del valle, se ha convertido en una celda especializada con una función definida.

"Elección" aquí es un término vago y se refiere a la multitud de procesos moleculares intracelulares que subyacen en la función y el comportamiento celular.

En humanos, unos 22.000 genes y sus productos podrían afectar la dinámica celular. En comparación, en las bacterias, la cantidad de genes es mucho menor:Escherichia coli, el organismo modelo bacteriano más importante, tiene alrededor de 4500 genes que afectan la forma en que esta célula responde al medio ambiente.

El paisaje de colinas y valles descrito por Waddington intenta resumir y simplificar la acción concertada de estos miles de genes, que afectan la forma, los baches, el número de valles y colinas y otros aspectos del paisaje.

Ahora resulta que el paisaje de Waddington es más que una simple metáfora. Se puede vincular a descripciones matemáticas.

Identificamos los fondos de los valles con estados estables:si se la deja a su suerte, la canica (o celda indiferenciada) ubicada en el fondo del valle permanecerá allí para siempre. Pero si la canica está colocada en la cima de una colina, incluso una ligera perturbación hará que se deslice cuesta abajo hacia un valle en particular.

Los matemáticos de la década de 1970 tomaron el concepto del valle y desarrollaron una rama de las matemáticas, con el evocador nombre de "teoría de catástrofes".

Esta teoría considera cómo pueden cambiar los "paisajes" matemáticos altamente fertilizados, y cualquier cambio cualitativo se denomina "catástrofe" o, en un lenguaje menos emotivo, "singularidad".

Cincuenta años después, matemáticos y científicos informáticos han redescubierto estos modelos de paisaje en aplicaciones completamente nuevas.

Debido a que ahora podemos medir la expresión génica (o activación) en células individuales, podemos ver que los procesos moleculares internos son como células que atraviesan un paisaje montañoso.

Entonces, ahora podemos conectar el modelo de paisaje con datos experimentales de una manera con la que Waddington solo podía soñar.

Vincular la actividad de los genes al modelo de paisaje se ha convertido en un área de investigación activa y emocionante. Esperamos usar esto para comprender cómo se mueven las células a través de este paisaje, desde un solo óvulo fertilizado hasta miles de tipos de células completamente diferenciadas en un ser humano adulto.

Un problema que ha recibido poca atención es cómo la aleatoriedad (o el ruido) de los procesos moleculares dentro de las células afecta el paisaje y la dinámica de las células en el paisaje.

Este es el núcleo de nuestra investigación reciente publicada en Cell Systems , donde exploramos cómo este ruido molecular puede afectar profundamente la dinámica. Nuestro equipo de investigación, respaldado por una beca ARC Australian Laureate, tiene como objetivo desarrollar un enfoque que incorpore la aleatoriedad en un sistema que pueda controlar y dar forma al paisaje.

En la terminología del paisaje, el ruido molecular puede mover valles y colinas; incluso puede hacer que los valles desaparezcan o formar nuevos valles y colinas, cambiando la dirección mientras agrega o elimina destinos potenciales de nuestro mármol metafórico.

Si volvemos a traducir esto al lenguaje de la biología, esto significa que los tipos de células que podrían existir en sistemas sin ruido (o con poco ruido) pueden desaparecer una vez que el ruido afecta al sistema, y ​​viceversa.

El ruido importa.

No es simplemente un inconveniente o una molestia:el ruido afecta los tipos de células que pueden existir en un organismo. La esperanza es que podamos utilizar la creciente cantidad de datos moleculares de una sola célula y combinarlos con modelos matemáticos que consideren tanto la intrincada dinámica de la regulación génica y los procesos celulares, como los efectos del ruido.

Nuestro objetivo final es desarrollar un modelo matemático completo de células biológicas.

Hasta ahora, tenemos un modelo matemático para un solo tipo de célula (de aproximadamente 100 millones), la diminuta bacteria Mycoplasma genitalium, que nos permite estudiar y hacer predicciones comprobables sobre su comportamiento.

Esto ahora está cambiando gracias al trabajo de los biólogos matemáticos y computacionales.

Nuestro grupo de investigación está colaborando con investigadores de todo el mundo para abordar el objetivo complejo, pero que creemos alcanzable, de modelar cualquier tipo de célula, incluida la multitud de células humanas.

Una de las ideas clave que nos dan esta confianza es que la biología usa y reutiliza mecanismos moleculares muy similares en todo el árbol de la vida.

Nuestra descendencia de un ancestro común compartido es uno de los principios fundamentales de la biología, y podemos aprovechar esto para facilitar nuestro trabajo:una vez que tenemos un modelo para un organismo, el siguiente será más fácil de modelar, y así sucesivamente.

Las relaciones evolutivas entre las especies significan que podemos tomar prestadas ideas de otras especies. Y en un organismo multicelular, donde todas las células se derivan de un solo óvulo fertilizado, podemos tomar prestadas ideas de otros tipos de células a medida que llenamos los vacíos en nuestros modelos de organismos. + Explora más

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